Системы охлаждения.
Развитие систем охлаждения для ПК шло весьма странным образом. А точнее, после появления первых ПК, оно разделилось на две ветки: для супер-ЭВМ и для персональных компьютеров.
рис.1. Холодильная установка в компьютере на базе PDP-11.
Первые вычислительные комплексы не только потребляли гигантское количество энергии, но и выделяли огромное количество тепла. Для того, чтобы все компоненты компьютеров работали в нормальном температурном режиме, приходилось использовать специальные кондиционеры или даже холодильные установки. Самая большая неприятность, которая могла случиться с компьютером того времени-выход из строя системы охлаждения. В МТИ(Массачусетском Технологическом Институте) стояла специальная система слежения за работой системы охлаждения с сиреной. При её срабатывании весь персонал бежал отключать компьютер, т.к. он не просто сгорал, а мог расплавиться.
Эти машины дали начало супер ЭВМ, которые используются до сих порр, и применяют столь же серьёзные системы охлаждения. Более того, сейчас источник тепла имеет ещё меньшую площадь, а выделяет ещё больше энергии.
рис.2. Первый персональный компьютер Альтаир 8800.
На первых персональных компьютерах систем охлаждения небыло совсем, из-за их невысокого энергопотребления. Потом, с увеличением частоты и различных устройств, потребление компьютеров расло, что приводило к необходимости мощного блока питания. Эти блоки питания уже выделяли большее количество тепла, и их начали охлаждать.
рис.3. Кулер для проуессора Intel i486 DX.
Так продолжалось до появления процессора Intel i486. Его довольно высокая частота уже не позволяла обходиться совсем без охлаждения, как это было ещё на 386 машинах, и на процессоры стали ставить радиаторы. На последние модели с сопроцессором-даже с вентиляторами, хотя даже некоторые процессоры Pentium обходились пассивным радиатором. С ростом частоты, процессоры стали греться всё больше и больше, большинство Pentium'ов требовали уже применения активного охлаждения: на радиаторы стали стаить вентиляторы.
рис.4. Видеокарта с охлаждением.
Потом для разгрузки процессоров, вычисление трёхмерной графики стали перекладывать на видеокарты, и у производителей систем охлаждения появился новый рынок - трёхмерные ускорители и видеоадаптеры с 3D ускорителями на борту. Многие производители начали увеличивать скорость вентиляторов для привлечения новых покупателей-оверклокеров(любителей разгона различных компонент). Дело в том, что при разгоне обычно(как самое эффективное средство) увеличивают частоту, что ведёт к значительному увеличению тепловыделения. Кроме того, для поддержания стабильности нередко повышают напряжение питания различных компонент, что так же приводит к росту температуры.
рис.5. Корпус из вентиляторов.
С появлением Pentium !!!, и особенно аналога от фирмы AMD - Athlon'а, ситуация стала ещё хуже: при огромных количествах выделяемой энергии нормальных систем охлаждения было очень мало, большинство из представленных имело запредельные уровни шума и работать рядом с подобной системой было не очень комфортно. Конечно, если компьютер использовался зимой или только для офисных приложений, то можно было обойтись стандартной не очень шумной системой, но летом при запуске новых игр с современными видеокартами, особенно при разогнанном графическом и центральном процессорах, приходилось ставить более эффективное охлаждение.
рис.6. Кулер Chrome Orb.
Кроме высокого шума, большинство кулеров в то время имели опасное для процессоров крепление, ведь Athlon'ы и подобные процессоры не имели защитной крышки, и легко крошились. А кулеры имели жёсткое крепление, и некоторые ещё поворачивались на сокете. Например, довольно популярная серия Orb от компании Thermaltake.
Тогда же стали появляться радиаторы для памяти, жёстких дисков, чипсетов и прочего.
К счастью, скоро ситуация стала меняться. Производители в борьбе за покупателя стали не наращивать обороты кулеров, а использовать более "продвинутые" решения. Вместо шумных высокооборотистых вентиляторов стали ставить вентиляторы побольше, но помедленнее, в радиаторах стали использовать медь(её дельная теплопроводность почти в 2 раза выше алюминия), потом появились тепловые трубки и многое другое.
Принципы работы некоторых охлаждающих систем.
рис.7. Радиатор.
Простейшее охлаждение - обычный радиатор. Дело в том, что скорость охлаждения напрямую зависит от трёх вещей: площади охлаждаемой(в данном случае) поверхности, разницы температур и скорости обдува(или течения жидкости). Радиатор увеличивает площадь поверхности в разы.
Следущий шаг-установка вентилятора. Он увеличивает эффективность охлаждения во много раз, однако, это повышает уровень шума. Важнейшая характеристика с точки зрения эффективности - его воздушный поток. Чем он выше, тем эффективней будет охлаждение. Его можно поднять тремя путями: увеличением оборотов, увеличением размера вентилятора, либо улучшением эргономики лопастей. Первый путь влечёт за собой увеличение шума, и через какое-то время перестаёт быть эффективным: воздух просто не успевает нагреться.
Следущий шаг разработчиков был направлен опять на увеличение площади радиаторов. Из-за не самой высокой надёжности сокетов, ставить массивные радиаторы опасно: сокет может просто отвалиться от платы. Однако, для большой площади радиаторов, сами они должны быть массивными, чтобы эффективно передавать тепло до всего ребра. Тогда инженеры обратились к старой технологии - тепловой трубке.
рис.8. Гигантский кулер на тепловых трубках. Высота-15 сантиметров.
Тепловая трубка представляет собой полую трубку, внутри которой-вакуум и налита жидкость, обычно-дисциллированная вода. В вакууме вода испаряется примерно при 40 градусах цельсия, и трубка превращается в хорошую конвекционную систему, которая передаёт тепло намного лучше любого твёрдого металла. Этой трубкой соединяют подошву радиатора с большим числом рёбер. Некоторые из этих кулеров обладают гигантскими размерами(общая площадь рёбер может достигать трёх квадратных метров), а наличие в приличных корпусах грамотных воздушных потокв, позволяет им при не очень большой нагрузке работать вообще в пассивном режиме.
Такие системы применяются в обычных домашних ПК. Однако ест ьлюди, жаждущие выжать из своих комплектующих всё возможное - оверклокеры. Поговорим о том, какие средства применяют они для достижения максимальных результатов.
рис.9. Радиатор водоблока.
Самое распространённое, и даже встречающееся в широкой продаже решение - установка ватеркулера(Water Cooler-водный охладитель). Один из самых эффективных способов охлаждения - конвекционный, когда на нагревающийся элемент поступает холодная вода, нагревается, а позже охлаждается где-то далеко, где есть возможность разместить большой радиатор.
рис.10. Ватерблок, и его крепление на процессор.
Состоит система из ватерблока - радиатор, который крепится на процессов, видеокарту или в другое место, помпы - по типу аквариумных помп для фильтров - создаёт поток жидкости в системе. Основной источник шума. И радиатора - часто пассивного.
рис.11. Водоблок в работе.
Такие системы стоят довольно дорого, и в случае протекания жидкости есть высокий шанс выхода компьютера из строя. Однако, хорошие модели по своей эффективности недосягаемы для обычных кулеров. Кроме того, они достаточно тихие.
рис.12. Фреоновая система охлаждения VapoChill.
Следущие, уже более редко встречающиеся(зачастую самодельные) системы - криогенные, на основе фозовых переходов. Все знакомы с такими системами на примере обычного холодильника.
рис.13. Фреоновая система охлаждения Mach II.
Принцип работы таких систем в следущем: при кипении почти невозможно поднять температуру выше температуры кипения. У фреонов такая температура порядка -40 градусов. Однако, необходимо пар превращать обратно в жидкость. ПРи этом будет выделяться тепло. Криогенные системы заставляют фреоны кипеть(при температуре около -40 градусов) в теплосъёмнике и конденсироваться в радиаторе. Для этого применяются мощные компрессоры. Компрессор накачивает фреон под высоким давлением(около 6-7 атмосфер) в конденсор, где он охлаждается, затем он через капилляр попадает в область с низким давлением, где испаряется, и активно поглощает тепло, затем снова закачивается в конденсор. Вот упрощённая схема.
рис.14. Борьба с конденсатом.
Различают чиллеры и Direct-Die системы. Первые охлаждают радиаторы, например, ватеркулеров. Их плюч в том, что относительно легко реализуется охлаждение почти всех компонентов ПК. Вторые охлаждают непосредственно греющиеся элементы. Т.к. температуры ниже нуля, то приходится ьороться с конденсатом, а это-лишние размеры. Поэтому кроме процессора и видеокарты такие системы почти никуда невозможно установить.
Такие системы довольно дороги, но обеспечивают почти непревзойдённое охлаждение компонент компьютера. Это самые эффективные системы для долгой работы.
рис.15. Сосуд Дьюара для хранения жидкого азота.
Превзойти их может только жидкий азот. Он используется только для установления рекордов, т.к. его нужно постоянно подливать. Это компенсируется тем, что его температура кипения составляет -196 градусов.
Азот просто заливают в специальную ёмкость, где он кипит, охлаждая всё вокруг. Пожалуй, самое сложное в этом - способ его добычи, т.к. в продаже его нет.
